Sviluppo embrionale - Anatomia comparata

Embriogenesi

Lo sviluppo embrionale o embriogenesi è l'insieme degli eventi attraverso cui, durante un ciclo vitale, da un uovo fecondato si genera un organismo pluricellulare, i cui differenti tipi cellulari sono organizzati in tessuti ed organi, ciascuno deputato a svolgere una specifica funzione. Il risultato finale consiste o in una larva che subirà una metamorfosi per trasformarsi in adulto (dove il processo viene definito sviluppo indiretto) o in un piccolo modello di adulto che si trasformerà in modo più limitato in adulto (dove il processo è di sviluppo diretto).

Lo sviluppo è un aumento regolare del numero di cellule associato ad un aumento della diversità cellulare, coordinati nello spazio e nel tempo. Da un uovo fecondato, ovvero dallo zigote, si genera un organismo pluricellulare attraverso importanti processi tra loro correlati e sovrapposti nel tempo:

• Divisione cellulare → un organismo pluricellulare origina in seguito a ripetute divisioni mitotiche a partire dalla cellula uovo fecondata;
• Determinazione → processo irreversibile, attraverso il quale una cellula viene specializzata, ovvero determinata a svolgere una specifica funzione. È un processo influenzato dai contenuti citoplasmatici e dell’ambiente cellulare circostante che agiscono sul genoma;
• Differenziamento → processo in cui si verificano i reali cambiamenti biochimici, morfologici e funzionali che portano ai diversi tipi cellulari degli organismi. Dipende dall’espressione di alcuni geni rispetto ad altri;
• Morfogenesi → processo che conduce al modellamento della forma di un organismo pluricellulare e dei suoi organi. I fattori chiave sono il movimento cellulare e la morte programmata di determinate cellule;

Le cellule che nascono dalle prime divisioni sono equivalenti dal punto di vista delle loro potenzialità, si dice quindi che sono totipotenti, ovvero che ognuna di esse può dare origine a qualsiasi tessuto dell’organismo e perfino all’organismo intero. Le divisioni successive vedono invece una riduzione della capacità differenziativa in diversi tessuti e una sempre maggiore specializzazione: le cellule manifestano un certo grado di disomogeneità che andrà sempre più aumentando cosicché gruppi diversi di cellule mostreranno un’identità sempre più spiccata. A questo punto si entra in una fase di crescita e maturazione.

Classi di potenza cellulare

• Zigote in Totipotenza: cellula capace di formare un organismo in toto, fase molto precoce.
• Blastomeri in fase Pluripotenza: cellula capace di dare origine a tutti e tre i foglietti embrionali, fase tardiva.
• Foglietti embrionali in Multipotenza: cellula capace di generare, differenziandosi, le cellule dello specifico compartimento in cui risiede.
• Precursori cellulari in Unipotenza: cellula che può differenziarsi terminalmente in un solo elemento cellulare.
• Cellula madre Nullipotenza: cellula matura.

Informazione cellulare durante lo sviluppo

Ogni cellula di un embrione che si sta sviluppando ha bisogno di almeno due tipi diversi di informazione:

1. Informazione istologica: serve ad indirizzare la cellula verso il suo destino istologico, specificando a che tipo di tessuto deve dar luogo (specificazione autonoma e specificazione condizionata);
2. Informazione posizionale: guida la cellula verso un determinato distretto corporeo specificando a quale parte del corpo dovrà alla fine appartenere (specificazione posizionale);

Queste specificazioni si verificano parallelamente.

Informazione istologica

a) Nelle cellule uovo non fecondate, molecole di derivazione materna quali mRNA e fattori di trascrizione (definiti come determinanti citoplasmatici o morfogeni), codificate dai geni materni (geni dell’effetto materno) sono distribuite in modo irregolare nel citoplasma. Esse sono un’importante fonte di informazione che opera precocemente durante lo sviluppo: regolano l’espressione di molti geni innescando una cascata di attività genica che guida la genesi di un tessuto. La distribuzione eterogenea di vari determinanti citoplasmatici all’interno delle uova non fecondate determina differenze regionali nelle fasi precoci dello sviluppo embrionale: le cellule che ricevono differenti determinanti citoplasmatici si specializzano in modo diverso. In questo tipo di specializzazione autonoma, la determinazione avviene molto precocemente ed è indipendente dall’ambiente circostante (→ sviluppo a mosaico).

b) Nella specificazione condizionata, l’informazione proviene principalmente dall’ambiente che circonda la cellula: segnalazioni che giungono su una cellula embrionale da cellule embrionali vicine determinano cambiamenti a carico della cellula bersaglio, secondo un processo chiamato induzione. L’induzione è un processo mediante il quale le cellule induttrici emettono un segnale alle cellule bersaglio istruendole a seguire una determinata via di sviluppo. L’induzione comporta cambiamenti dell’espressione genica nella cellula bersaglio (→ sviluppo regolativo).

I modelli di induzione sono:

• Contatti cellula-cellula;
• Diffusione di morfogeni secondo gradiente di concentrazione;
• Modificazioni di componenti della matrice extracellulare;

L’induzione è di grande importanza nello sviluppo precoce (induzione primaria) ma anche nella formazione di diversi organi (induzione secondaria). Lo sviluppo a mosaico prevale in molti invertebrati come molluschi, anellidi e urocordati. Lo sviluppo regolativo è presente in alcuni invertebrati come gli echinodermi ma è prevalente nei vertebrati. Tuttavia, nessuno sviluppo è esclusivamente a mosaico o regolativo, ma nel proprio svolgimento spazio-temporale comporta in genere le modalità.

Informazione posizionale

Nei bilateri, la suddivisione dei distretti è fortemente influenzata dall’espressione gerarchica dei geni regolatori: i geni a effetto materno (quelli espressi dalla madre) stabiliscono la polarità antero-posteriore e dorso-ventrale; i geni gap stabiliscono le principali regioni del corpo (capo, torace e addome); i geni pair-rule formano i singoli segmenti; i geni della polarità segmentale e i geni HOX determinano la posizione delle strutture nei singoli segmenti.

I geni regolatori a monte controllano l’attività di quelli a valle, secondo un meccanismo a cascata. I geni regolatori producono fattori di trascrizione, proteine che contengono una sequenza di 60 AA (omodominio) codificata da una sequenza di 180 nucleotidi (omobox). L’omodominio è la porzione della proteina che si lega al DNA, regolando l’espressione dei geni strutturali coinvolti nello sviluppo animale. I geni regolatori sono conservati con un elevato grado di omologia di sequenza. Nel corso dello sviluppo, i geni HOX sono coinvolti nel processo di regionalizzazione lungo l’asse corporeo antero-posteriore. I fattori di trascrizione che essi codificano controllano l’espressione dei geni responsabili di strutture anatomiche specifiche. Nei vertebrati, i geni HOX sono organizzati in 4 cluster, ognuno localizzato su un cromosoma diverso.

Esiste una correlazione fisica tra la localizzazione (colinearità spaziale) di un gene nel proprio cluster e la sua espressione lungo l’asse antero-posteriore dell’embrione (colinearità temporale). I geni localizzati anteriormente sono, quindi, espressi prima e in una regione anteriore rispetto a quelli localizzati verso l’estremità posteriore del cluster.

Fasi dello sviluppo embrionale

Lo sviluppo embrionale degli animali triblastici può essere ripartito in tappe fondamentali:

• Fecondazione;
• Segmentazione;
• Gastrulazione;
• Neurulazione;
• Organogenesi o citodifferenziamento;

Fecondazione

Lo sviluppo embrionale prende il via da un evento di fecondazione, ovvero la fusione dello spermatozoo con la cellula uovo, che porta alla formazione di una cellula diploide, lo zigote. La fecondazione è un fenomeno della riproduzione sessuata (anfigonia) che è legata alla presenza di due gameti e porta allo scambio di materiale genetico tra gli individui di sesso diverso. La progenie presenta un corredo genetico differente da quello dei due individui parentali. La riproduzione sessuata aumenta la variabilità genetica e fenotipica della prole. Essa implica due eventi:

• La formazione di cellule aploidi (gametogenesi), dove i gameti maschili (spermatozoi) e i gameti femminili (cellule uovo) vengono prodotti rispettivamente in testicoli e ovario;
• La fecondazione;

La gametogenesi implica due processi fondamentali:

• Meiosi o divisione riduzionale: è quel processo di divisione dove la cellula primordiale con corredo diploide, dopo una replicazione di DNA origina 4 cellule aploidi di ogni genitore. Comporta due successive divisioni in modo che i gameti siano aploidi;
• Acquisizione da parte dei gameti di specializzazioni necessarie per la fecondazione e l’embriogenesi;

Spermatogenesi

È il processo di maturazione delle cellule germinali maschili. È un fenomeno rapido, continuo, duraturo e prolifico, tipico del maschio adulto, che si realizza nei testicoli sotto controllo ormonale. Nei vertebrati si trovano due tipi di organizzazione testicolare:

• Ampollare o Cistica → nelle diverse ampolle o cisti le cellule germinali sono sincronizzate allo stesso stadio della spermatogenesi (anamni);
• Tubulare → all’interno dello stesso tubo seminifero si trovano tutti gli stadi della spermatogenesi (amnioti);

Nella spermatogenesi si distinguono tre fasi:

• Fase mitotica, moltiplicazione per mitosi e maturazione degli spermatogoni (cellule germinali primordiali);
• Fase meiotica, interessa gli spermatociti e comprende le due divisioni meiotiche che terminano con la produzione di spermatidi;
• Fase spermiogenetica, trasformazione degli spermatidi in spermatozoi maturi, abili a fecondare;

Durante la prima ondata di spermatogenesi, le cellule primordiali riprendono a svilupparsi dividendosi per mitosi fino a differenziarsi in spermatogoni. Una parte di questi, in pubertà, entrerà in mitosi diventando spermatociti, che dopo la divisione diventeranno spermatidi. Questi subiranno una serie di modificazioni nel processo di spermatogenesi fino alla formazione degli spermatozoi. Spermatogoni, spermatociti e spermatidi stabiliscono tra loro una continuità mediante ponti citoplasmatici attraverso i quali avviene il passaggio di macromolecole che assicurano la sincronia dello sviluppo. La spermatogenesi comporta una serie di trasformazioni a carico degli spermatidi, quali la formazione dell’arcosoma dall’apparato del Golgi, lo sviluppo del flagello, la condensazione della cromatina e la riduzione del volume nucleare, l’eliminazione del citoplasma.

Oogenesi

È il processo di differenziamento della cellula uovo. È un processo attraverso il quale i gameti femminili si formano e maturano in una struttura specializzata, il follicolo ovarico, formato da cellule follicolari e da un oocito. La struttura e l’organizzazione dell’ovario varia in relazione al tipo di uovo maturato e alla fisiologia della riproduzione. Si distinguono quindi:

• Ovari cavi → vertebrati non mammiferi e monotremi;
• Ovari pieni → mammiferi marsupiali e placentati;

Le cellule germinali primordiali si differenziano in oogoni che migrano nell’ovario e iniziano la prima divisione meiotica. Gli oogoni diventano oociti I, iniziando il periodo di piccolo accrescimento con l’aumento della massa citoplasmatica. Essi rimangono bloccati all’interno di piccoli follicoli.